基本介紹
簡介,含銅耐候鋼,含銅抗菌不鏽鋼,含銅高強度鋼,含銅鋼的發展前景,
簡介
鋼鐵材料是國民經濟的基本支柱之一，素有“工業糧食”之稱。鋼鐵材料的製備成本低、製造工藝簡單，同時具有良好的塑性、韌性和優良的加工性，使其在建築和交通等領域都有著極大的套用價值。然而，隨著工業技術的發展和進步，工業生產中對鋼材的性能，特別是硬度、抗彎強度和耐腐蝕性等性能要求也越發提高。近年來，隨著高鐵、航天以及新能源事業的發展，高性能鋼材的需求量與日俱增。因此，增強高性能鋼材的研究和生產能力對世界範圍內鋼鐵行業的發展有著重要影響。
目前製備高品質鋼的途徑主要是通過添加合金元素製備合金鋼實現。作為重要的有色金屬元素，銅本身具有良好的抗張強度與耐腐蝕性，同時在加工過程中表現出良好的延展性與可塑性。鑒於其優良特性，近年來，銅越來越多的作為合金元素加入鋼中，以改善鋼的性能。研究表明，銅加入鋼中不僅能有效提高鋼的強度與衝擊韌性，同時能增強其耐腐蝕性與抗菌性能，改善鋼材品質。目前國內外對含銅鋼的研製開發主要集中於含銅耐候鋼、含銅高強度鋼以及含銅抗菌不鏽鋼，且已經在眾多領域被廣泛套用。
含銅耐候鋼
耐候鋼是在普通鋼製備的過程中通過添加少量合金元素，從而使其獲得在大氣中優良的耐腐蝕性能的低合金高強度鋼。相比於普通碳鋼材料，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能可提高2～8 倍。同時，耐候鋼在使用過程中的維護費用少，可直接用於腐蝕性環境中而不需要額外的表面處理，且對環境不造成二次污染，是防止鋼鐵材料腐蝕失效的理想產品，能夠降低因鋼材腐蝕造成的經濟損失。
銅是提高鋼材耐腐蝕性較為有效的一種合金元素。Tomashow通過研究認為，銅加入鋼材中會在其表面二次析出，形成陰極，這便會促進與其相接觸的鋼材的陽極鈍化並在表面形成銹層， 增加其耐腐蝕性。也有學者認為， 銅之所以能提高鋼材耐腐蝕性，是由於當銅加入鋼中後，在腐蝕環境下，鋼中的銅會隨著鐵的溶解而偏聚進而發生富集現象， 並在腐蝕界面與銅富集層間形成一層氧化物中間膜並吸附在鋼材表面，這便阻止了大氣中的水、氧氣等腐蝕介質向鋼材內部的侵蝕，最終達到抗腐蝕的效果。
含銅耐候鋼最早起源於20世紀初的美國。1916年，美國試驗和材料協會（ASTM）在腐蝕試驗中發現，當鋼材中含銅量達到0.04%時，大氣對其腐蝕率大大下降； 而當銅含量超過0.15%後對鋼材耐大氣腐蝕性的提高將不再明顯。20 世紀30 年代，美國U.S.Steel 公司研製出了含銅的低合金耐候鋼--Corten 鋼。
Corten 鋼具有極強的耐大氣腐蝕性，是普通鋼鐵材料抗腐蝕性的4～8 倍。同時，Corten 鋼還具有較高的抗拉伸強度，並於20世紀60年代開始不經塗漆直接套用於建築與橋樑工業中。由於Corten 鋼極佳的耐腐蝕性能，各個國家也分別在其基礎上開發了各類型號的含銅耐候鋼，如英國的WR50A、日本的SPA-H、前蘇聯的10XCHB 等鋼種。我國開展含銅耐候鋼的開發較晚。1960 年武鋼率先進行了含銅耐候鋼的研發工作，並於1965 年在全國範圍內開始推廣使用含銅耐候鋼。隨著建築、交通等領域對含銅耐候鋼的需求不斷增加，我國鋼鐵企業分別根據我國資源實際情況研製了不同型號的含銅耐候鋼，如鞍鋼的08CuPVRE、武鋼的09CuPTi 、濟鋼的09MnNb 等。
近年來，國內外學者對製備高品質含銅耐候鋼進行了大量研究。YueLijie研究了對含銅耐候鋼中加入稀土元素的耐蝕性進行研究。結果表明，隨著稀土元素的加入，含銅耐候鋼中夾雜變得細小，降低了耐候鋼的點蝕敏感性，提高了含銅耐候鋼的耐蝕性。
任非研究了鈮含量對含銅耐候鋼組織與性能的影響。研究表明隨著微量元素鈮的添加，含銅耐候鋼的晶粒尺寸明顯得到細化，當鈮含量為0.04%時晶粒尺寸最小；隨著鈮含量的增加，含銅耐候鋼的屈服強度和抗拉伸強度逐漸增加，並在鈮含量為0.04%時達到最佳。周桂成採用Gleebl-3800 熱力學模擬機，研究了含銅耐蝕鋼的連續冷卻轉變規律，結果顯示，在15～50℃/s 的冷卻速度下，含銅耐候鋼的組織為貝氏體和少量貝氏鐵素體，且所得貝氏鐵素體晶粒得到充分細化，使得耐候鋼的強度與韌性得到合理匹配。隨著冷卻速度的提高，耐候鋼的硬度不斷提高，並在50℃/s 時達到峰值。
含銅抗菌不鏽鋼
銅離子對細菌有著良好的抑制和殺滅的效果。當銅作為合金元素加入金屬材料中後，需要經過特殊的抗菌熱處理後，才會在基體中形成均勻、穩定且彌散分布的抗菌相。當基體中銅抗菌相達到一定的體積百分比後，抗菌相便能夠裸露於金相表面。這樣當銅元素溶於水形成水合離子，與細菌接觸時會與其蛋白質相結合，使細菌的蛋白質變性，從而能殺死細菌，達到抗菌效果。
目前，銅離子的抗菌特性主要套用與製備抗菌不鏽鋼的過程中。主要方法是在冶煉不鏽鋼的過程中添加0.5%～1%的銅元素， 再經過特殊的抗菌熱處理手段使銅在不鏽鋼內部均勻彌散的析出並固溶形成微細的含銅相（ε-Cu 相）。只有當ε-Cu 相在不鏽鋼基體中占一定的比例後，才能表現出良好的抗菌性能，獲得具有抗菌功能的不鏽鋼。抗菌不鏽鋼不僅保持了不鏽鋼光潔美觀而且能夠耐腐防鏽的特性，同時對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等有著一定的抗菌作用，被廣泛套用於醫療、食品以及公共衛生等行業中。日本在20 世紀90 年代率先開發出含銅的鐵素體、奧氏體和馬氏體型抗菌不鏽鋼。
經過一系列抗菌試驗證實， 這三種抗菌不鏽鋼均對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有著較高的抗菌性。鑒於含銅抗菌不鏽鋼良好的特性與廣泛的套用前景，近年來國內科技工作者也開展了大量的研究。邱文軍通過大量的抗菌試驗得出了銅含量對殺菌率的影響，表明銅元素的添加使得不鏽鋼對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌性大大提高，當不鏽鋼中的含銅量由1.5%增加至3.5%時，不鏽鋼對大腸桿菌的殺菌率由75.2%增加至99.9%，對葡萄球菌的殺菌率則由80%增加至99%。李寧等分析了高銅馬氏體不鏽鋼的性能，分別利用滴定法對兩種成分的不鏽鋼進行抗菌性的對比研究。結果顯示：普通0Cr18Ni9不鏽鋼對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌沒有抗菌性。而含銅量超過3.8%的高銅馬氏體不鏽鋼對大腸桿菌抗菌性達99%，對金黃色葡萄球菌抗菌性達97%。中國科學院利用高溫固溶→油冷→保溫→空冷的熱處理方式，在馬氏體不鏽鋼中添加銅，最終可獲得含銅3.5%～4.0%的抗菌不鏽鋼。上海寶鋼已經在2009 年初實現了含銅抗菌不鏽鋼的工業化生產，主要產品為含銅質量分數為1.4%～1.6%的鐵素體抗菌不鏽鋼。該種抗菌不鏽鋼的殺菌率在99.99%以上，同時具有極佳的耐腐蝕性與力學性能，在餐飲與電器領域有著較高的套用價值。
含銅高強度鋼
在鋼中加入微量銅元素，不僅能提高其耐蝕性與抗菌性，也能增強鋼材本身的強度，改善其力學性能。由於銅在鋼中的固溶度較低，因此當鋼中含銅量超過0.6%時，便會呈過飽和狀態，經過在一定溫度的熱處理便可時效析出ε-Cu 相，形成沉澱強化，增強鋼材的強度，這稱為銅的時效硬化效應。通常含銅1%能提高鋼材40～50MPa 的強度，在450～600℃進行時效熱處理後，可進一步促進鋼材中銅沉澱析出，並提高其屈服強度100～200MPa。
目前，套用較廣的含銅高強度鋼主要是HSLA80 和HSLA100，這兩種高強度含銅鋼主要利用ε-Cu 的析出與高位錯密度的超細貝氏體組織共同強化，同時對鋼材韌性沒有明顯影響，有利於提高其綜合性能，目前已成為美國海軍艦艇的結構用鋼。SKDas通過研究指出，HSLA-100 含銅鋼在經過538℃時效處理後，在保證其優良低溫韌性的同時，屈服強度增加了104MPa。楊才福採用Gleeble-3800 熱模擬試驗機研究了冷卻速度對高強度含銅鋼HSLA80 和HSLA100 強度隨冷卻速度的變化。結果顯示隨著冷卻速度的逐漸增大，HSLA80的組織出現了貝氏體和塊狀鐵素體，同時銅發生了沉澱效應，增強了鋼的硬度；HSLA100 在冷卻過程中出現貝氏體組織，但不會產生銅沉澱，因而冷卻速度提高不會對其硬度造成影響。
銅在鋼中的沉澱析出，不僅能有效提高鋼的強度，也能夠同時保證鋼的衝擊韌性。RRana研究發現：隨著鋼中銅含量在0.02%～2.06%變化時，基體中鐵素體晶粒尺寸d 的1/2 與銅含量呈線性關係。文獻表明，即隨著鋼中銅含量增加，晶粒尺寸減小，這對提高強度與韌性均較為有利。
含銅鋼的發展前景
向鋼材中加入銅元素能提高其耐腐蝕性、強度、衝擊韌性與抗菌能力，改善了鋼材的性能，增加了其綜合利用價值。目前含銅鋼已在軍事、交通運輸、物流、醫療等眾多方面廣泛套用。隨著工業技術的發展與生活水平的提高，各領域對高性能含銅鋼的需求必將大大增加。
然而，當前製備含銅鋼的主要方法仍是在冶煉鋼材過程中添加銅元素，這不僅會造成銅資源的浪費，增加生產製備成本。同時加工過程中處理不當還會造成銅脆現象，影響含銅鋼質量。因此，製備成本低且性能優良的含銅鋼/ 鋼材複合材料將是未來含銅鋼的發展方向。這種複合材料表面具有含銅鋼耐腐蝕、抗菌性強、硬度高、韌性好等特點，同時能保持鋼材本身良好的塑性、韌性和優良的加工性，並能減少銅的用量，降低生產成本，提高經濟效益。此外，對製備的含銅鋼/ 鋼材複合材料進行一定條件下的高溫熱處理，能夠使銅與鋼材之間形成濃度梯度層，實現銅與鋼的冶金結合，提高其表面結合力。因而開發合理工藝製備含銅鋼/ 鋼材複合材料，將會加速含銅鋼生產的低成本化與高產化，也必將實現套用大眾化，使得高性能含銅鋼能更廣泛的套用。
